喷嘴雾化参数轨迹图像法测量实验研究

施智雄，潘科玮，平力，杨斌

（1 上海理工大学能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海200093；2上海航天动力技术研究所，上海201109）

引 言

雾化是液体通过喷嘴喷射，克服自身表面张力，分散破碎形成小液滴的过程[1-2]，广泛应用于化学工程、农业灌溉、植物保护、工业防尘、医疗器械、发动机燃烧等领域[3-6]。液体雾化质量直接关系到相关设备的工作性能，通常评价雾化性能及质量的主要指标有雾化角、雾化细度及均匀度、雾化液滴运动速度等参数[7-10]。准确测量喷嘴雾化参数对设备结构参数优化及性能评估都有重要意义。

目前，喷嘴雾化参数测量方法主要有光散射法、激光多普勒测速仪（laser Doppler velocimetry,LDV）、相位多普勒粒子分析仪（phase Doppler particle anemometer, PDPA）、粒子图像测速仪（particle image velocimetry,PIV）等方法[11-14]。Su等[15]利用激光散射法测量了喷雾液滴粒度分布；Cheng等[16]利用PDPA 技术测量了喷雾液滴粒径及分布规律；Rodrigues 等[17]利用PDPA 技术测量了乙醇液体在空气和氧化剂介质中的液滴粒径和颗粒运动速度分布规律；李继保等[18]利用PIV 技术测得喷嘴液膜在不同液压差下的各项特性参数，分析了雾化角在液膜破碎前随液压差的变化规律；Santangelo[19]利用PIV 技术研究了细水雾在高压下喷射颗粒和周围流体之间的相互作用。这些方法广泛被用于雾化机理研究、喷嘴结构尺寸优化及雾化性能评估等，但对于工业应用来说，这些方法也存在一些问题，例如激光散射法通过测量激光经待测区域形成的散射光强分布反演得到粒径参数，液滴粒径测量精度受光强分布与反演算法选取影响；LDV 与PDPA利用激光与液滴运动的多普勒效应来测量液滴粒径、运动速度及分布，测量精度受激光及探测方向影响；PIV 技术通过激光照射喷雾，利用液滴成像获得粒径，同时比较分析相邻时刻液滴成像变化来得到液滴速度，但对成像帧率要求较高。

轨迹图像法是利用工业相机拍摄光源照射下运动颗粒在适当曝光时间内的轨迹图像来获得宏观形态、颗粒粒径与运动速度等参数的测量方法[20-23]，适合用于较低颗粒运动速度与颗粒浓度特点的喷雾雾化参数测量，具有结果直观、系统可靠、处理流程简便等优势。对此，本文采用轨迹图像法开展喷嘴雾化参数测量，通过调整不同测量位置，获得喷嘴出口附近液膜或流股轨迹图像与液滴雾化后单液滴轨迹图像，分别得到喷嘴雾化角、液滴粒径与运动速度及其分布等参数，并开展不同喷嘴结构尺寸与雾化压力下扇形喷嘴雾化参数测量及影响规律实验研究。

1 轨迹图像法喷嘴雾化测量实验系统

喷嘴雾化测量系统由工业相机、远心镜头与背光光源等组成，设置于同一成像轴上，如图1 所示。背光光源产生平行光照射喷雾后，通过设定合适的曝光时间，由远心镜头与工业相机组成的成像系统获得液滴背光阴影轨迹图像，通过图像处理获得喷嘴雾化角、雾化细度、液滴运动速度及分布参数。其中，工业相机最大帧率为60 帧/秒，最短曝光时间为17.188 μs，最大曝光时间为1126.383 ms，最大分辨率为1280×960；远心镜头放大倍率为0.5 倍，工作距离150 mm。

图1 雾化参数轨迹图像法测量系统Fig.1 Atomization parameters measurement system based on trajectory imaging method

由于扇形喷嘴是可以产生均匀对称扁平射流且具有较大范围雾化角的喷嘴，工业应用最为广泛[24-25]，因此，本文选取扇形喷嘴开展测量实验研究。在实验过程中，选取距喷嘴垂直距离1 mm 和400 mm 两个成像高度对喷雾进行测量：当相机与喷嘴距离为1 mm 时，即为喷嘴出口成像工作模式，主要为了获得喷嘴出口附近液膜或流股的轨迹图像，从而得到喷嘴雾化角参数；当相机与喷嘴距离为400 mm 时，即为雾化液滴细度与运动速度测量工作模式，主要为了获得液滴雾化后单液滴轨迹图像，从而得到雾化细度与液滴运动速度及分布参数。

2 轨迹图像法雾化参数测量原理与验证

评价喷嘴的雾化质量主要是通过雾化角、雾化细度及均匀度、雾化液滴运动速度等参数去衡量。轨迹图像法利用背光阴影成像技术，通过适当延长曝光时间获得液滴轨迹图像，通过喷嘴出口不同位置液滴轨迹图像处理，得到雾化角、雾化细度、液滴运动速度及分布参数，其测量原理如下。

2.1 轨迹图像雾化角测量原理

在喷嘴出口附近由工业相机拍摄喷嘴雾化图像，在曝光时间内，喷嘴喷出的液膜或流股形成清晰的轨迹图像，图像中液膜或流股外包络线形成的夹角即为喷嘴出口雾化角。因此，将喷嘴出口雾化图像进行预处理后转为二值化图像并提取雾化角边缘，将边缘位置坐标线性拟合得到喷嘴出口雾化角。

边缘线性拟合采用最小二乘法，通过求雾化边缘上已知数据点到最佳拟合函数直线距离的二次方和最小化[26]。对图像上的左右边界数据点x、y 与直线y=ax+b 做回归分析，得到雾化角边界的拟合直线方程，分别为

式中，a11、a21分别表示喷雾锥角两边界的拟合直线斜率。

由此，可计算雾化角β为

根据轨迹图像雾化角测量原理，将喷嘴雾化测量系统设置成喷嘴出口成像工作模式，获得典型工况（0.66 mm孔径、0.3 MPa雾化压力）65°扇形喷嘴出口附近液膜或流股的轨迹图像，如图2(a)所示。为分析得到喷嘴出口雾化角，采用如下图像处理流程：（1）将该图像进行预处理之后得到喷嘴出口雾化二值化图像[图2(b)]；（2）将二值化图像进行边缘提取得到雾化角边界[图2(c)]；（3）通过最小二乘法线性拟合雾化角边界直线，再利用式(2)得到喷嘴雾化角[图2(d)]，从而得到喷嘴出口雾化角为82.21°。

图2 典型雾化角图像处理过程Fig.2 Typical image process of atomization angle

2.2 轨迹图像雾化细度与液滴速度测量原理

对于雾化细度与液滴速度测量，主要利用单液滴轨迹图像处理得到。在适当曝光时间下，背光成像系统获得液滴运动轨迹图像，如图3 所示，假设液滴为球形，在极短曝光时间t 内，液滴匀速运动，对该轨迹图像处理，获得轨迹宽度d，轨迹长度l 信息。

因此，喷雾液滴粒径为

式中，a 为图像传感器的像素元边长，m 为镜头放大倍率。

图3 轨迹图像法测量原理Fig.3 Schematic diagram of trajectory imaging method

液滴的速度为

根据轨迹图像雾化细度与液滴速度测量原理，将喷嘴雾化测量系统设置成雾化液滴细度与运动速度测量工作模式，获得典型工况（0.66 mm 孔径、0.3 MPa 雾化压力）65°扇形喷嘴400 mm 高度处的喷雾液滴轨迹图像，如图4(a)所示。为分析得到喷嘴雾化细度与运动速度参数，采用如下图像处理流程：（1）由于图像在生成、获取、传输等过程中往往会发生质量的退化或损伤，若直接对图像进行分析会造成最后的结果偏差[27]，因此，对上述液滴轨迹图像进行图像增强，使目标与背景、目标与目标之间的对比度提高[图4(b)]；（2）由于图像采集过程中光照强度不均匀会导致图像背景亮度不均匀，因此，通过底帽变换校正背景光照的不均匀性以获得背景亮度均匀的图像[28-30][图4(c)]；（3）将经过背景均匀化后的图像进行二值化处理，处理后的图像白色部分即为目标颗粒图像，黑色部分为背景[图4(d)]，从而分析获得液滴轨迹参数，进行逐一统计，图4的液滴数为41 个，其平均粒径为123 μm，平均速度为9.85 m/s。

图4 典型雾化细度及速度液滴图像处理过程Fig.4 Typical image process of atomization fineness and droplet velocity

2.3 轨迹图像法运动颗粒粒径测量验证

为了验证轨迹图像法的测量精度，利用图1 所示的测量系统测量样品池标准颗粒图像，将工业相机、远心镜头、样品池与背光光源置于同一水平轴上。调整样品池位置至成像平面处，选取标准颗粒置于样品池内并使其成运动状态，获得标准颗粒运动轨迹图像，如图5(a)所示，按照上述轨迹图像测量原理，获得颗粒粒径分布结果如图5(b)所示，测量平均粒径为79.1 μm，与标准颗粒公称直径相对偏差误差结果为2.8%，验证了该系统对于运动颗粒粒径测量精度。

图5 标准颗粒运动轨迹图像及粒径分布测量结果Fig.5 Trajectory image of dynamic standard particle and measurement results of particle size

3 实验测量结果与分析

为研究孔径与雾化压力对扇形喷嘴雾化参数的影响，本文选取0.66、0.91、1.10 mm 孔径65°扇形喷嘴在0.3 MPa 雾化压力下与0.66 mm 孔径65°扇形喷嘴在0.1、0.2、0.3、0.4 MPa雾化压力下开展喷嘴雾化参数测量实验研究。

3.1 喷嘴工况参数对喷雾角的影响分析

每次实验获取20 张以上喷嘴雾化图像进行处理，以处理结果平均值作为测量结果。不同孔径的65°扇形喷嘴雾化角测量结果如图6 所示，可以看出，在雾化压力为0.3 MPa 的情况下扇形喷嘴的雾化角较为稳定，孔径为0.66 mm 的扇形喷嘴其雾化角经多次测量后的平均值为90.69°,孔径为0.91 mm的扇形喷嘴其雾化角平均值为80.27°，而孔径为1.10 mm 的扇形喷嘴其雾化角平均值为77.74°。雾化角随扇形喷嘴孔径的增大而减小，这是由于流量随孔径的增加而增大，表现出喷出的液膜厚度增大，厚度的增加会使液体的表面张力增强，从而使液膜不易扩散，导致雾化角减小。在0.3 MPa 下，孔径0.66 mm 的喷嘴比孔径1.10 mm 的喷嘴雾化角平均值减小16.66%。

图6 不同孔径喷嘴的雾化角测量结果Fig.6 Measurement results of atomization angle of nozzles with different pore sizes

测量孔径0.66 mm 的扇形喷嘴在0.1、0.2、0.3、0.4 MPa 不同压力工况下的雾化角，测量结果如图7所示。可见当雾化压力从0.1 MPa 增加到0.4 MPa时，雾化角增加47.71%。这是由于液体的表面张力由液膜厚度决定，而液膜的厚度受喷嘴孔径大小影响，因此在喷嘴孔径不变的情况下，液体的表面张力不变。所以，随着雾化压力的增加，液体的表面张力更易克服，从而导致雾化角随着雾化压力的增加而增大。

图7 不同压力下喷嘴的雾化角测量结果Fig.7 Measurement results of atomization angle under different pressures

3.2 喷嘴工况参数对液滴粒径影响分析

在0.3 MPa 压力的工况下不同孔径扇形喷嘴的液滴粒径分布如图8 所示。从图8 结果可见，扇形喷嘴的液滴粒径分布范围从40 μm 到280 μm。孔径为0.66 mm 的扇形喷嘴其液滴粒径分布主要集中在60～120 μm，孔径为0.91 mm 的扇形喷嘴其液滴粒径分布主要集中在80～140 μm，而孔径为1.10 mm的扇形喷嘴其液滴粒径分布主要集中在120～180 μm。

图8 不同孔径喷嘴的液滴粒径分布Fig.8 Size distribution of droplet particles of nozzles with different apertures

表1 为不同孔径喷嘴的液滴数目平均粒径，由表中结果可以看出，孔径1.10 mm 喷嘴的液滴数目平均直径大于孔径0.66 mm喷嘴，孔径1.10 mm喷嘴的液滴粒径比孔径0.66 mm 喷嘴的液滴粒径大26.82%。这是由于喷孔直径增大会导致其喷嘴流量增大，所以在实验过程中孔径为1.10 mm 的喷嘴产生的液滴密度更高，这也就更容易导致液滴在运动过程中彼此相互碰撞重新聚合形成新的大尺寸液滴。

表1 不同孔径喷嘴的液滴数目平均粒径Table 1 Average diameter of droplet particles of nozzles with different apertures

雾化压力为0.1、0.2、0.3、0.4 MPa 工况下孔径为0.66 mm 的扇形喷嘴液滴粒径分布测量结果如图9所示。由图可见雾化压力从0.1 MPa 变化到0.2MPa，液滴粒径分布的变化趋势并不明显。但当压力增加到0.3 MPa 时，液滴粒径减小，粒径分布主要集中在40～120 μm，而雾化压力从0.3 MPa 变化到0.4 MPa，液滴粒径分布的变化趋势也不明显。

不同雾化压力下液滴数目平均粒径结果如表2所示。结合表2 与图9 可以看出，液滴粒径会随着雾化压力的提高而减小。在喷嘴孔径为0.66 mm 的情况下，雾化压力从0.1 MPa 增加到0.4 MPa 的过程中，液滴数目平均粒径在减小，减小幅度为44.23%。这是因为液滴粒径受雾化压力与液滴的表面张力影响，当雾化压力超过液滴表面张力的临界值时，液滴就会碎裂成为更细小的液滴。

图9 不同压力下喷嘴的液滴粒径分布Fig.9 Size distribution of droplet particles of nozzle under different pressures

表2 不同压力下喷嘴的液滴数目平均粒径Table 2 Average diameter of droplet particles of nozzles under different pressures

3.3 喷嘴工况参数对液滴运动速度的影响

不同孔径的扇形喷嘴的液滴运动速度分布如图10 所示，速度平均值如表3 所示。可知在雾化压力0.3 MPa 下，随着喷嘴孔径的增加，液滴的运动速度也在增加，孔径1.10 mm 喷嘴的液滴运动速度比孔径为0.66 mm的喷嘴提高10.42%。这是由于液滴在下落过程中的运动速度受雾化压力、重力与空气阻力共同作用，结合上述液滴粒径规律，在相同雾化压力下，孔径1.10 mm 喷嘴的液滴粒径更大，相应的运动速度就会增大。

图10 不同孔径喷嘴的液滴运动速度分布Fig.10 Velocity distribution of droplet particles of nozzles with different apertures

表3 不同孔径喷嘴的液滴平均运动速度Table 3 Average velocity of droplet particles of nozzles with different apertures

在不同压力下，孔径为0.66 mm 的扇形喷嘴的液滴运动速度分布如图11所示，其平均速度结果如表4 所示。可见随着雾化压力的增加，液滴的运动速度大幅增加，雾化压力从0.1 MPa 增加到0.4 MPa时，液滴平均运动速度增加幅度为95.10%。这是因为喷嘴雾化过程中液滴的运动过程受雾化压力主导，而受颗粒粒径影响较小。虽然雾化压力增加会导致液滴粒径变小，但压力增加对液滴运动速度的影响远大于对液滴粒径的影响，因此，雾化液滴运动速度随雾化压力增大而大幅增大。

图11 不同压力下喷嘴的液滴运动速度分布Fig.11 Velocity distribution of droplet particles under different pressures

表4 不同压力下喷嘴的液滴平均运动速度Table 4 Average velocity of droplet particles of nozzles under different pressures

4 结 论

本文基于轨迹图像法测量原理搭建喷嘴雾化参数测量装置，利用标准颗粒验证了该方法对运动颗粒粒径测量的精度，并开展了不同喷嘴工况参数下喷嘴雾化角、雾化细度、液滴运动速度及分布参数测量实验研究，得出如下结论。

（1）轨迹图像法通过两个位置测量，对喷嘴出口附近雾化成像可得到其出口雾化角；对雾化后单液滴成像，可获得液滴粒径与运动速度参数，统计可得到其粒径与运动速度参数分布，从而实现喷嘴雾化角、雾化细度、液滴运动速度及分布的多参数同步测量。

（2）在0.3 MPa 雾化压力下，改变扇形喷嘴孔径时，雾化细度与液滴运动速度会随着扇形喷嘴孔径的增大而增大，在扇形喷嘴孔径从0.66 mm 增大到1.10 mm 时，增加幅度分别为26.82%、10.42%；但雾化角会随着扇形喷嘴孔径增大而减小，减小幅度为16.66%。

（3）对于喷嘴孔径为0.66 mm 的65°扇形喷嘴，改变雾化压力时，雾化角与液滴运动速度会随着雾化压力的增加而增大，在雾化压力从0.1 MPa 增加至0.4 MPa 时，增加幅度分别为47.71%、95.10%；但雾化细度会随着压力增加而减小，减小幅度为44.23%。